JP2005349533A - マイクロ電気機械システムの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シリコン中に中空領域を制御性よく容易に形成するという目的を、中空領域を形成する領域に水素イオン注入を行った後、水素イオン注入領域に熱処理を行うことで、水素イオン注入領域に中空領域を形成することを可能とする。
【解決手段】基板１１上にシリコン系膜１２を形成する工程と、シリコン系膜１２の中空領域を形成しようとする領域に水素イオンを注入して水素イオン注入領域１４を形成する工程と、水素イオン注入領域１４の一部が露出するようにシリコン系膜１２を加工する工程と、熱処理を行うことによって水素イオン注入領域１４に中空領域１７を形成する工程とを備えたことを最も主要な特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、中空構造を形成することが容易なマイクロ電気機械システムの製造方法に関するものである。

ＭＥＭＳ（マイクロ電気機械システム）デバイスの特徴は、中空構造を有している点にある。中空領域を利用して、例えば静電駆動によるスイッチング素子や、共振素子を構成することができる。また光を反射、回折させる素子を構成することも可能となる。

中空構造を形成する方法は、中空にするための層（以下、犠牲層という）をどのような材料にするかによって異なる。犠牲層の材料は大きく分けて３種類がある。一つはシリコン（Ｓｉ）系の導電膜（アモルファスシリコン、ポリシリコン、バルクシリコン等）、二つ目は酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜などの絶縁膜、三つ目はレジストを利用する方法である。シリコン膜の場合、フッ化キセノン（ＸｅＦ₂）によるドライエッチングやフッ硝酸によるウェットエッチングなどが一般的である。酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜の場合は、フッ酸（ＨＦ）によるウェットエッチングや最近ではフッ化水素（ＨＦ）蒸気を用いたドライエッチングも開発されてきている。

次に、第１従来技術による中空構造の具体的な形成方法について以下に説明する。第１従来技術としては、ビーム材料に導電膜を用い、中空領域を形成するための犠牲層に酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜を用いた一例を、図９の製造工程断面図によって説明する。

図９（１）に示すように、シリコン（Ｓｉ）やガリウム砒素（ＧａＡｓ）などの半導体基板上に絶縁膜を形成した基板、石英基板もしくはガラス基板のような少なくとも表面が絶縁性を有する基板１１１を使用する。

次に、上記基板１１１上に下部電極１１２を形成する。この下部電極１１２は、例えば、不純物をドーピングした多結晶シリコン膜、タングステン（Ｗ）、クロム（Ｃｒ）等の金属膜などで形成される。上記多結晶シリコン膜の成膜は、例えば、減圧ＣＶＤ法により、原料ガスにモノシラン（ＳｉＨ₄）と水素（Ｈ₂）ガスとの混合ガスを用いて真性多結晶シリコン膜または真性非晶質シリコン膜を形成後、リン（Ｐ）をイオン注入するかもしくは熱拡散することにより多結晶シリコン膜中に導入し、活性化処理を行う。または、成膜時にホスフィン（ＰＨ₃）を添加することにより直接導電性の多結晶シリコン膜を形成する。また、上記金属膜はスパッタリングもしくは蒸着法により形成する。

次に、図９（２）に示すように、上記下部電極１１２上に犠牲層１１３を形成する。この犠牲層１１３は、例えば、酸化シリコン膜で形成される。例えば、酸化シリコン膜は、減圧ＣＶＤ法により、原料ガスにモノシラン（ＳｉＨ₄）、ジメチルシラン（ＳｉＨ₂（ＣＨ₃）₂）もしくはテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）などの有機シランを用い、８００℃程度の成膜温度で形成する。

次に、図９（３）に示すように、通常のリソグラフィー技術とエッチング技術とによって、上記犠牲層１１３を後の中空領域となる形状にパターニングする。

次に、図９（４）に示すように、上記犠牲層１１３上にビームを形成するためのビーム形成膜１１４を形成する。このビーム形成膜１１４は、例えば、多結晶シリコン膜もしくは炭素膜（例えばダイヤモンド）を成膜される。その後、図９（５）に示すように、通常のリソグラフィー技術とエッチング技術を用いてビーム形成膜１１４をパターニングしてビーム１１５を形成する。これにより、上記犠牲層１１３が露出される。

次に、図９（６）に示すように、上記犠牲層１１３〔前記図９（５）参照〕をエッチングにより除去する。このエッチングを例えばウェットエッチングで行う場合で犠牲層１１３が酸化シリコン膜で形成されている場合には、フッ酸（ＨＦ）に浸漬してサイドエッチングにより上記犠牲層１１３を除去する。ここで、犠牲層１１３を除去して形成された中空領域が１０ｎｍ以下の厚さとなるような場合、犠牲層１１３を除去する際にビーム１１５が下地電極１１２を接触する現象（ｓｔｉｃｋｉｎｇ）を懸念する場合には、ドライフッ化水素（ＨＦ）によるドライエッチングにより犠牲層１１３の除去を行う。これによって、ビーム１１５と下部電極１１２との間に中空領域１１６が形成される。

次に、第２従来技術による中空構造の具体的な形成方法について以下に説明する。第２従来技術として、ビーム材料に無機膜を用い、中空領域を形成するための犠牲層にシリコン（Ｓｉ）膜を用いた一例を図１０の製造工程断面図によって説明する。

図１０（１）に示すように、前記図９（１）によって説明したのと同様なる基板２１１を用意する。次いで、上記基板２１１上に下部電極２１２を形成する。さらに、前記図９（２）によって説明したのと同様なる方法により、上記下部電極２１２上に犠牲層２１３を形成する。この犠牲層２１３は、例えば非晶質シリコンもしくは多結晶シリコン等にシリコン系材料で形成する。そして、前記図９（３）によって説明したのと同様なる方法により、上記犠牲層２１３を後の中空領域となる形状にパターニングする。

次に、図１０（２）に示すように、上記犠牲層２１３上にビームを形成する膜２１４を形成する。このビームを形成する膜２１４は、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ）膜もしくは酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜で形成する。さらにビームを形成する膜２１４上にアルミニウム（Ａｌ）膜等の導電膜２１５を形成する。

その後、図１０（３）に示すように、通常のリソグラフィー技術とエッチング技術を用いて、上記導電膜２１５で駆動電極２１６を形成するとともにビームを形成する膜２１４でビーム２１７を形成する。

次に、図１０（４）に示すように、上記犠牲層２１３〔前記図１０（３）参照〕をエッチングにより除去する。このエッチングは、駆動電極２１６を腐食することがないように、例えばエッチングガスにフッ化キセノン（ＸｅＦ₂）を用いたドライエッチングにより行う。これによって、ビーム２１７と下部電極２１２との間に中空領域２１８が形成される。

しかしながら、犠牲層のエッチングは、以下のような問題がある。それは犠牲層材料によって残したい膜種が限定されることである。例えばシリコンのビームを形成したい場合、犠牲層はシリコン（Ｓｉ）以外の材料として、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ₂）もしくはレジストとなる。またこの場合、エッチングを停止させるためのストップ材料も犠牲層材料によって限定されることになる。

犠牲層の除去は基本的にサイドエッチングを利用しているためエッチング速度が遅い。したがって、特にパターン面積が大きなデバイスには不利となる。例えば、２０μｍ×２０μｍの大きさで膜厚が１μｍの犠牲層を除去する場合、エッチング速度は等方的に１μｍ／ｍｉｎと仮定すると膜厚方向には１ｍｉｎ、膜表面方向は左右からエッチングが進んだとしても１０倍の１０ｍｉｎかかることになる。さらに犠牲層の膜厚を薄く（Ｇａｐを小さく）したい場合には、サイドエッチング速度はさらに遅くなり、その生産性は非常に悪化する。

また、ウェットエッチングにより犠牲層を除去した場合、図１１に示すように、処理後にビーム２１７が下部電極２１２に張り付くこと（ｓｔｉｃｋｉｎｇ）が起こる場合がある。また、犠牲層にシリコン（Ｓｉ）膜を用いた場合、そのエッチングガスのＸｅＦ₂は高価である。安価なフッ硝酸は酸化シリコン（ＳｉＯ₂）などのエッチングストップ層との選択比が小さいという問題がある。さらに、犠牲層が酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜の場合、現状ではフッ化水素（ＨＦ）を用いたドライエッチング技術は開発段階であり、しかもＨＦガスは特にエッチング速度が遅く、上部電極との併用が困難などの問題がある。また、レジストの場合、犠牲層の膜厚が通常のレジストコート膜厚（１μｍ以上）の場合には有効だが、薄い犠牲層の膜厚を求められる場合には困難となる。

また、水素のイオン注入により膜が剥離される現象が古くから知られている（例えば、非特許文献１参照。）。この技術を適用したものとして、貼り合わせＳＯＩ（Silicon on insulator）の製造方法が有名である（例えば、非特許文献２〜５参照。）。

ここで、上記非特許文献４等に記載されたスマートカット法の概要を、図１２によって説明する。基本的には、高濃度に注入された水素（Ｈ₂）の領域が、４００〜６００℃程度のアニ−ルで脱離する現象を利用したものである。特に水素（Ｈ₂）の濃度が支持体であるシリコン（Ｓｉ）と同程度になる領域は、水素（Ｈ₂）脱離により中空領域を形成すると考えられている（後に詳細に説明）。

次に、図１２（１）に示すように、表面に貼り合わせ用の膜３１１が形成された第１シリコン基板３１０の表面側に、第１シリコン基板３１０の表層３１３が形成されるように、水素イオンを注入した水素イオン注入層３１２を形成する。このときの水素イオン注入は、１×１０¹⁶ｃｍ^-2〜１×１０¹⁷ｃｍ^-2程度のドーズ量にて行う。

次に、図１２（２）に示すように、上記貼り合わせ用の膜３１１表面を清浄化処理した後に、上記貼り合わせ用の膜３１１表面に第２シリコン基板３２０を貼り合わせる。

次に、図１２（３）に示すように、熱処理を行って、上記水素イオン注入領域３１２で分離する。これによって、水素イオン注入領域３１２を境に第１シリコン基板３１０の表層３１３が貼り合わせ用の膜３１１を介して第２シリコン基板３２０側に形成されて、第１シリコン基板３１０が分離される。上記熱処理は、第１段階として４００℃〜６００℃で行って、第１シリコン基板３１０を分離し、第２段階として１０００℃〜１１００℃で行って、結晶性の回復処理を行う。上記基板の分離は、水素イオン注入領域３１２中の水素が熱処理によってガス化して膨張し、内部からシリコンを剥離させるために起こるものである。

次に、図１２（４）に示すように、第２シリコン基板３２０側に形成された第１シリコン基板の表層３１３の露出表面を、例えば化学的機械研磨により研磨して仕上げる。

Ｉｏｎ Ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ ｉｎ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｎｃｏｒｓ １９７６、Ｐｅｌｅｎｕｍ, Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ、１９７７年、ｐ４８３ Ｍ．Ｂｒｕｅｌ他著 Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ＳＯＩ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、１９９５年、ｐ１７８． Ｌ．Ｄｉ Ｃｉｏｃｃｉｏ他著 Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、１９９６年 Ｖｏｌ．３２ ｐ１１４４． Ｍ．Ｂｒｕｅｌ他著 Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ． ｖｏｌ．３６ １９９７年 ｐ１６３６ 梶山他著 電子情報通信学会技報 ＳＤＭ―１６１ １９９６年 ｐ３１

解決しようとする問題点は、犠牲層を形成する材料によって残したい部分、例えば下部電極やビームを構成する材料が限定されるという点である。例えばシリコンのビームを形成したい場合、犠牲層はシリコン（Ｓｉ）以外の材料として、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ₂）もしくはレジストを選択することになる。この場合、エッチングを停止させるための材料層も犠牲層の材料によって限定されることになる。

また、犠牲層の除去は基本的にサイドエッチングを利用しているためエッチング速度が遅いという問題点がある。特にパターン面積が大きなデバイスには不利となる。したがって、その生産性は非常に悪化する。

また、ウェットエッチングにより犠牲層を除去した場合、ビームが下部電極に貼り付くことが起こる場合がある。貼り付きを防止するため、犠牲層にシリコン膜を用い、そのエッチングガスにＸｅＦ₂を用いると製造コストが高価になるという問題がある。また安価なフッ硝酸を用いた場合には、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）などのエッチングストップ層との選択比が小さいという問題が生じる。さらに犠牲層が酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜の場合、フッ化水素（ＨＦ）を用いたドライエッチング技術では、エッチング速度が遅く、また上部電極との併用が困難であるという問題がある。また犠牲層にレジストを用いた場合、薄い犠牲層を形成することが困難であるという点である。

本発明のマイクロ電気機械システムの第１製造方法は、基板上にシリコン系膜を形成する工程と、前記シリコン系膜の中空領域を形成しようとする領域に水素イオンを注入して水素イオン注入領域を形成する工程と、前記水素イオン注入領域の一部が露出するように前記シリコン系膜を加工する工程と、熱処理を行うことによって前記水素イオン注入領域に中空領域を形成する工程とを備えたことを最も主要な特徴とする。

本発明のマイクロ電気機械システムの第２製造方法は、基板上にシリコン系膜を形成する工程と、前記シリコン系膜上にビームを形成するためのビーム形成膜を形成する工程と、前記シリコン系膜の中空領域を形成しようとする領域に水素イオンを注入して水素イオン注入領域を形成する工程と、前記水素イオン注入領域の一部が露出するように前記ビーム形成膜を加工してビームを形成する工程と、熱処理を行うことによって前記水素イオン注入領域に中空領域を形成する工程とを備えたことを最も主要な特徴とする。

本発明のマイクロ電気機械システムの第３製造方法は、一端もしくは両端が支持されるビーム下部に設けられた犠牲層をエッチングにより除去する工程を備えたマイクロ電気機械システムの製造方法であって、前記犠牲層を除去する前に、前記犠牲層中に水素イオンを注入することで前記犠牲層中に隙間を形成することを最も主要な特徴とする。

本発明のマイクロ電気機械システムの第１、第２製造方法は、シリコン系膜中に水素をイオン注入した後、熱処理を施すことにより膜面が剥離する現象（デラミネ―ション）を利用して膜中の水素イオン注入領域に中空領域を形成するので、イオン注入条件で、ビーム膜厚、中空領域の形状、厚さ等を制御することができ、均一な厚さの中空領域を形成することが可能となるという利点がある。また、水素イオン注入と熱処理によって中空領域を形成することから、基本的にビーム材料に関係なく犠牲層となる水素イオン注入領域に中空領域を形成することが可能となる。また、水素イオン注入後の水素イオン注入領域に剥離面が形成されるが、この剥離面は適度な表面凹凸（例えば１０ｎｍ程度の高さの凹凸）があるため、中空領域の上部と下部との貼り付き（ｓｔｉｃｋｉｎｇ）が起きにくいという利点がある。したがって、本発明の第１、第２製造方法により製造されるマイクロ電気機械システムは、ビーム膜厚、中空領域の大きさ、厚さをイオン注入条件で均一、かつ容易に制御することが可能となる。また、本発明の第１、第２製造方法は、従来の等方性エッチングによる犠牲層除去では困難であったもので素子面積に比べて犠牲層幅が狭い構造のものに対して特に有効である。

本発明のマイクロ電気機械システムの第３製造方法は、犠牲層を除去する前に犠牲層中に水素イオンを注入することで犠牲層中に隙間を形成するため、大面積の犠牲層であっても隙間にエッチング種が入り込み、犠牲層の膜厚方向にエッチングが進行されるため、エッチング時間が大幅に短縮される。このため、スループットの大幅な短縮が可能になるので製造コストの低減が図れるという利点がある。

本発明の一つは、中空領域を制御性よく容易に形成するという目的を、中空領域を形成する領域に水素イオン注入を行った後の工程で熱処理を行って水素イオン注入領域に中空領域を形成することで、犠牲層のエッチング工程を行わずに実現した。また本発明の一つは、従来の製造方法において工程時間を短縮するという目的を、犠牲層に水素イオン注入を行って水素イオン注入領域に隙間を形成することで実現した。

本発明のマイクロ電気機械システムの第１製造方法に係る第１実施例を、図１の製造工程断面図によって説明する。

図１（１）に示すように、シリコン（Ｓｉ）やガリウム砒素（ＧａＡｓ）などの半導体基板上に絶縁膜を形成した基板、石英基板もしくはガラス基板のような少なくとも表面が絶縁性を有する基板１１を使用する。

次に、上記基板１１上に下部電極、犠牲層、ビームを形成する膜としてシリコン系膜１２を形成する。このシリコン系膜１２は、例えば多結晶シリコン膜もしくは非晶質シリコン膜で形成される。例えば、減圧ＣＶＤ法により、原料ガスにモノシラン（ＳｉＨ₄）と水素（Ｈ₂）ガスとの混合ガスを用いて真性多結晶シリコン膜または真性非晶質シリコン膜として形成することができる。

次に、図１（２）に示すように、上記シリコン系膜１２の下層に下部電極１３を形成する。この下部電極１３の形成は、シリコン系膜１２に不純物をイオン注入することによる。上記不純物には、リン（Ｐ）やヒ素（Ａｓ）などのｎ型不純物もしくはホウ素（Ｂ）などのｐ型不純物のいずれでも用いることができる。その際、ドーズ量は例えば１×１０¹⁵ｃｍ^-2〜１×１０¹⁶ｃｍ^-2程度とする。また、注入エネルギー膜厚との相関によりイオン注入条件は決定される。ピーク深さを意味する射影飛程（Ｒｐ）と注入エネルギーの関係を図２に示す。図２では、縦軸に射影飛程（Ｒｐ）を示し、横軸に注入エネルギーを示す。

図２に示すように、シリコン系膜１２（例えば多結晶シリコン膜）中に、イオン注入する場合、同一注入エネルギーでイオン注入した場合、軽いイオンであるホウ素（Ｂ）が最も深く注入することができ、次にリン（Ｐ）をイオン注入した場合であり、最も重いヒ素（Ａｓ）が浅い位置にイオン注入されることが判る。ちなみに、同一注入エネルギーの場合、リン（Ｐ）はヒ素（Ａｓ）のおよそ２倍の深さに注入でき、ホウ素（Ｂ）はヒ素（Ａｓ）のおよそ７倍の深さに注入することができる。したがって、下部電極１３を形成する深さによって、注入する不純物種、注入エネルギーを適宜選択すればよい。なお、例えばシリコン系膜１２の膜厚が厚いためにイオン注入により必要なピーク深さが得られない場合については後に説明する。

次に、図１（３）に示すように、上記シリコン系膜１２の中空領域を形成しようとする領域に水素イオン（Ｈ）を注入して、いわゆる犠牲層となる水素イオン注入領域１４を形成する。この水素イオン注入注入領域１４は、シリコン系膜１２上に通常のレジストプロセス（レジスト塗布、露光、現像、ベーキング等のプロセス）によってレジストマスク１５を形成することにより、所望の形状に形成することができる。したがって、後に形成されるビームを支持する部分には水素イオン注入を行わないことにより、ビームの支持部を形成することができる。また、水素イオン注入により形成される水素イオン注入領域１４は中空の薄い剥離層（図示せず）が形成される。

シリコン膜中に水素（Ｈ）をイオン注入した際の水素イオン濃度のピーク深さ（射影飛程）と水素の注入エネルギーとの関係を、図３に示す。図３では、縦軸に射影飛程（Ｒｐ）を示し、横軸に注入エネルギーを示す。

図３に示すように、例えば、ビームの厚みを１μｍにしたい場合には注入エネルギーは１１０ｋｅＶに、ビームの厚みを２μｍにしたい場合には注入エネルギーは３２０ｋｅＶに、ビームの厚みを３μｍにしたい場合には注入エネルギーは６５０ｋｅＶに設定する。注入ドーズ量は中空領域、すなわち犠牲層の厚さを決定する上で重要なパラメータとなる。熱処理を施すことにより膜面が剥離する現象（デラミネ―ション）を起こすための注入量は３．５×１０¹⁶ｃｍ^-2〜１×１０¹⁷ｃｍ^-2であることが知られている。

一例として、ビームの膜厚が１μｍで水素の注入エネルギー１１０ｋｅＶの場合の水素（Ｈ）の濃度分布を、図４に示す。図４では、縦軸に水素濃度を示し、横軸に注入深さを示す。図４に示すように、ドーズ量が３．５×１０¹⁶ｃｍ^-2の場合の水素濃度は１．５×１０²¹ｃｍ^-3であることがわかる。したがって、１．５×１０²¹ｃｍ^-3以上の水素濃度がある水素イオン注入領域が中空領域を形成する犠牲層の膜厚となることが期待される。

また、水素イオン注入のドーズ量に対する犠牲層となる領域の幅の計算値（犠牲層幅という）との関係、図５に示す。図５では、縦軸に犠牲層幅を示し、横軸に水素注入ドーズ量を示す。図５に示すように、例えば犠牲層幅は水素の注入量で変更可能となり、特に犠牲層幅を極力薄くしたい場合には、本手法は極めて有利な方法となることがわかる。

次に、図１（４）に示すように、上記水素イオン注入領域１４の一部が露出するようにシリコン系膜１２を加工して、ビーム１６を形成する。この加工は、通常のレジストマスクを用いたリソグラフィー技術およびエネルギー技術によって行うことができる。

次に、図１（５）に示すように、熱処理を行うことによって上記水素イオン注入領域１４〔前記図１（３）参照〕に中空領域１７を形成する。このとき、水素イオン注入を行って以内領域が上記ビーム１６を支持する支持部１８として形成される。上記熱処理は、４００℃〜６００℃で行う。熱処理を施すと高濃度に水素がイオン注入された領域で、シリコン（Ｓｉ）と水素（Ｈ）との結合が切れて、過飽和の水素（Ｈ）原子がシリコン（Ｓｉ）結晶面に析出し、シリコン−水素（Ｓｉ−Ｈ）結合による平板欠陥を形成する。熱処理の温度を上記温度とし熱処理時間を増すと水素（Ｈ）の析出量が増加し、その析出された水素（Ｈ）同士が結合して水素（Ｈ₂）ガスとして脱離する。すなわち、デラミネ−ションが起こる。これによって、シリコン結晶面が破断されて、中空領域１７が薄く形成される。この原理は、例えば、梶山健一、他著「注入水素を用いた脆化によるシリコン単結晶の薄膜形成」信学技報 TECHNICAL REPORT OF IEICE, SDM96-161 （１９９６−１２）に開示されている。なお、上記熱処理では、ＳｉＨ₃、ＳｉＨ₂、ＳｉＨ結合手の一部が脱離する。ここで、より低温で剥離処理を行うにはホウ素（Ｂ）、リン（Ｐ）等の不純物を水素（Ｈ）とともに注入すると有効である。

また、水素イオン注入により形成された水素イオン注入領域１４により形成された中空領域１７の下部電極１３側表面およびビーム１６側表面にはデラミネ−ションにより適度の凹凸が発生している（表面粗さでおよそ１０ｎｍ程度）。この表面粗さを有することも後の張り付き（ｓｔｉｃｋｉｎｇ）の防止対策となる。

上記第１実施例では、図面において片持ち梁形状のビームを示したが、両端支持梁形状のビームとすることもできる。この場合には、水素イオン注入の際に、ビームの両端となる領域上にイオン注入マスクを形成し、水素イオンが注入されないようにすればよい。その結果、デラミネーション時に中空領域１７とともにビーム１６の両端にビーム支持部が形成されることになる。この場合には、ビーム１６側方下部に露出している水素イオン注入領域１４の部分より水素ガスの離脱が起こり、中空領域１７が形成される。

上記製造方法に係る第１実施例では、シリコン系膜１２中に水素をイオン注入した後、熱処理を施すことにより膜面が剥離する現象（デラミネ―ション）を利用してシリコン系膜１２中の水素イオン注入領域１４に中空領域１７を形成するので、イオン注入条件で、ビーム１６の膜厚、中空領域１７の形状、厚さ等を制御することができ、均一な厚さの中空領域１７を形成することが可能となるという利点がある。また、水素イオン注入と熱処理によって中空領域１７を形成することから、基本的にビーム材料に関係なく犠牲層となる水素イオン注入領域１４に中空領域１７を形成することが可能となる。また、水素イオン注入後の水素イオン注入領域１４に剥離面が形成されるが、この剥離面は適度な表面凹凸（例えば１０ｎｍ程度の高さの凹凸）があるため、中空領域１７の上部と下部との貼り付き（ｓｔｉｃｋｉｎｇ）が起きにくいという利点がある。さらに、シリコン系膜１２は、下部電極１３、犠牲層となる水素イオン注入領域１４、ビーム１６を一層の膜として一度に形成することが可能であるため、成膜回数を最小限にすることができるという利点がある。

また、ビーム１６を形成する材料が導電膜の場合、従来の製造方法では中空領域を形成するための犠牲層を酸化シリコン（ＳｉＯ₂）などの絶縁膜で形成する必要があり、このためにエッチング速度が遅い、薄い犠牲層の形成が困難等の問題があったが、上記第１実施例の製造方法では犠牲層を絶縁膜で形成する必要がないという利点がある。また熱処理により中空領域１７を形成することから中空領域の形成時間が短縮できるという利点がある。

次に、本発明のマイクロ電気機械システムの第１製造方法に係る第２実施例を、図６の製造工程断面図によって説明する。第２実施例では、シリコン系膜の形成に先だって、基板上に下部電極を形成する製造方法を説明する。

図６に示すように、シリコン（Ｓｉ）やガリウム砒素（ＧａＡｓ）などの半導体基板上に絶縁膜を形成した基板、石英基板もしくはガラス基板のような少なくとも表面が絶縁性を有する基板１１を使用する。

次に、上記基板１１上に下部電極２１を形成する。この下部電極２１の形成は、多結晶シリコン膜を形成した後、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）等のｎ型不純物もしくはホウ素（Ｂ）のようなｐ型不純物を導入してもよく、または多結晶シリコン膜を成膜するときに成膜原料ガスに上記不純物を含むガスを導入して、不純物を含む多結晶シリコン膜を形成してもよい。または、下部電極２１は金属材料で形成することもできる。金属材料としては、その後の熱処理によって拡散、変質等を起こさない金属材料を用いる。例えば、タングステン（Ｗ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）等の高融点金属材料で形成することができる。

次いで上記下部電極２１上にシリコン系膜１２を形成する。その後は、前記第１実施例と同様に水素イオン注入領域を形成する工程以降のプロセスを行えばよい。

次に、本発明のマイクロ電気機械システムの第２製造方法に係る一実施例を、図７の製造工程断面図によって説明する。第２実施例では、ビームを絶縁膜で形成する製造方法を説明する。

図７（１）に示すように、シリコン（Ｓｉ）やガリウム砒素（ＧａＡｓ）などの半導体基板上に絶縁膜を形成した基板、石英基板もしくはガラス基板のような少なくとも表面が絶縁性を有する基板１１を使用する。次に、上記基板１１上に下部電極および犠牲層を形成する膜としてシリコン系膜１２を形成する。このシリコン系膜１２は、例えば多結晶シリコン膜もしくは非晶質シリコン膜で形成される。例えば、減圧ＣＶＤ法により、原料ガスにモノシラン（ＳｉＨ₄）と水素（Ｈ₂）ガスとの混合ガスを用いて真性多結晶シリコン膜または真性非晶質シリコン膜として形成することができる。

次に、図７（２）に示すように、上記シリコン系膜１２の下層に下部電極１３を形成する。この下部電極１３の形成は、シリコン系膜１２に不純物をイオン注入することによる。上記不純物には、リン（Ｐ）やヒ素（Ａｓ）などのｎ型不純物もしくはホウ素（Ｂ）などのｐ型不純物のいずれでも用いることができる。その際、ドーズ量は例えば１×１０¹⁵ｃｍ^-2〜１×１０¹⁶ｃｍ^-2程度とする。

次に、図７（３）に示すように、上記シリコン系膜１２上にビームを形成するためのビーム形成膜３１を形成する。このビーム形成膜３１は、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ）膜や酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜等の絶縁膜で形成する。

次に、図７（４）に示すように、上記シリコン系膜１２の中空領域を形成しようとする領域に水素イオン（Ｈ）を注入して、いわゆる犠牲層となる水素イオン注入領域１４を形成する。この水素イオン注入注入領域１４は、ビーム形成膜３１上に通常のレジストプロセス（レジスト塗布、露光、現像、ベーキング等のプロセス）によってレジストマスク１５を形成することにより、所望の形状に形成することができる。したがって、後に形成されるビームを支持する部分には水素イオン注入を行わないことにより、ビームの支持部を形成することができる。また水素イオン注入における水素イオン濃度が最も高くなるピーク深さは上記ビーム形成膜３１との界面となるように、イオン注入条件を定める。また、水素イオン注入により形成される水素イオン注入領域１４は中空の薄い剥離層（図示せず）が形成される。

次に、図７（５）に示すように、上記水素イオン注入領域１４の一部が露出するようにビーム形成膜３１を加工して、ビーム３２を形成する。この加工は、通常のレジストマスクを用いたリソグラフィー技術およびエネルギー技術によって行うことができる。

次に、図７（６）に示すように、熱処理を行うことによって上記水素イオン注入領域１４に中空領域１７を形成する。このとき、水素イオン注入を行っていない上記シリコン系膜１２の領域が上記ビーム３２を支持する支持部１８として形成される。上記熱処理は、４００℃〜６００℃で行う。熱処理を施すと高濃度に水素がイオン注入された領域で、シリコン（Ｓｉ）と水素（Ｈ）との結合が切れて、過飽和の水素（Ｈ）原子がシリコン（Ｓｉ）結晶面に析出し、シリコン−水素（Ｓｉ−Ｈ）結合による平板欠陥を形成する。熱処理の温度を上記温度とし熱処理時間を増すと水素（Ｈ）の析出量が増加し、その析出された水素（Ｈ）同士が結合して水素（Ｈ₂）ガスとして脱離する。すなわち、デラミネ−ションが起こる。これによって、シリコン結晶面が破断されて、中空領域１７が薄く形成される。なお、上記熱処理では、ＳｉＨ₃、ＳｉＨ₂、ＳｉＨ結合手の一部が脱離する。ここで、より低温で剥離処理を行うにはホウ素（Ｂ）、リン（Ｐ）等の不純物を水素（Ｈ）とともに注入すると有効である。

また、水素イオン注入により形成された水素イオン注入領域１４により形成された中空領域の下部電極１３側表面およびビーム３２側表面にはデラミネ−ションにより適度の凹凸が発生している（表面粗さでおよそ１０ｎｍ程度）。この表面粗さを有することも後の張り付き（ｓｔｉｃｋｉｎｇ）の防止対策となる。

次に、図示はしないが、上記ビーム３２上に例えばアルミニウム（Ａｌ）膜などからなる駆動側電極を形成する。

上記第３実施例では、図面において片持ち梁形状のビームを示したが、両端支持梁形状のビームとすることもできる。この場合には、水素イオン注入の際に、ビームの両端となる領域上にイオン注入マスクを形成し、水素イオンが注入されないようにすればよい。その結果、デラミネーション時に中空領域１７とともにビーム３２の両端にビーム支持部が形成されることになる。この場合には、ビーム３２側方下部に露出している水素イオン注入領域１４の部分より水素ガスの離脱が起こり、中空領域１７が形成される。

上記製造方法の第３実施例では、シリコン系膜１２中に水素をイオン注入した後、熱処理を施すことにより膜面が剥離する現象（デラミネ―ション）を利用してシリコン系膜１２中の水素イオン注入領域１４に中空領域１７を形成するので、イオン注入条件で、中空領域１７の形状、厚さ等を制御することができ、均一な厚さの中空領域１７を形成することが可能となるという利点がある。また、水素イオン注入と熱処理によって中空領域１７を形成することから、基本的にビーム材料に関係なく犠牲層となる水素イオン注入領域１４に中空領域１７を形成することが可能となる。また、水素イオン注入後の水素イオン注入領域１４に剥離面が形成されるが、この剥離面は適度な表面凹凸（例えば１０ｎｍ程度の高さの凹凸）があるため、中空領域１７の上部と下部との貼り付き（ｓｔｉｃｋｉｎｇ）が起きにくいという利点がある。さらに、シリコン系膜１２は、下部電極１３、犠牲層となる水素イオン注入領域１４を一層の膜として一度に形成することが可能であるため、成膜回数を従来技術よりも少なくすることができるという利点がある。

次に、本発明のマイクロ電気機械システムの第３製造方法に係る一実施例を、図８の製造工程断面図によって説明する。本実施例では、従来技術の製造方法において水素イオン注入を適用した一例を説明する。

図８（１）に示すように、シリコン（Ｓｉ）やガリウム砒素（ＧａＡｓ）などの半導体基板上に絶縁膜を形成した基板、石英基板もしくはガラス基板のような少なくとも表面が絶縁性を有する基板１１を使用する。

次に、上記基板１１上に下部電極２１を形成する。この下部電極２１は、例えば、タングステン（Ｗ）、クロム（Ｃｒ）等の金属膜などで形成される。また、上記金属膜はスパッタリングもしくは蒸着法により形成する。

次いで、上記下部電極２１上に犠牲層４１を形成する。この犠牲層４１は、例えば、シリコン系膜で形成される。このシリコン系膜は、例えば多結晶シリコン膜もしくは非晶質シリコン膜で形成される。例えば、減圧ＣＶＤ法により、原料ガスにモノシラン（ＳｉＨ₄）と水素（Ｈ₂）ガスとの混合ガスを用いて真性多結晶シリコン膜または真性非晶質シリコン膜として形成することができる。

次に、図８（２）に示すように、通常のリソグラフィー技術とエッチング技術とによって、上記犠牲層４１を後の中空領域となる形状にパターニングする。

次に、図８（３）に示すように、上記犠牲層４１上にビームを形成するためのビーム形成膜４２を形成する。このビーム形成膜４２は、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ）膜、炭化シリコン膜のような絶縁膜で形成する。

次に、図８（４）に示すように、上記犠牲層４１中に水素イオンを注入することで上記犠牲層４１中に薄い剥離層（図示せず）を形成する。

その後、図８（５）に示すように、通常のリソグラフィー技術とエッチング技術を用いてビーム形成膜４２をパターニングしてビーム４３を形成する。これにより、上記犠牲層４１の一部が露出される。このエッチングでは、ビーム４３に被覆されない部分の上記犠牲層４１をエッチングしてもよい。

次に、図８（６）に示すように、上記犠牲層４１〔前記図８の（５）参照〕をエッチングにより完全に除去する。このエッチングを例えばウエットエッチングで行う場合で犠牲層４１がシリコン系膜で形成されているので、フッ酸硝酸に浸漬してサイドエッチングにより上記犠牲層４１を除去する。このとき、犠牲層４１には薄い剥離層が形成されているため、その剥離層をエッチング液が浸透し、犠牲層４１はその膜厚方向にエッチングされる。このようにして、犠牲層４１の除去を行う。これによって、ビーム４３と下部電極２１との間に中空領域４４が形成される。

なお、上記プロセスにおいて、水素イオン注入後のビーム形成膜４２上に駆動側電極を形成するためのアルミニウムもしくは高融点金属からなる導電膜を形成し、その後、導電膜を駆動側電極に加工するとともにビーム形成膜４２をビーム４３に加工してもよい。または、ビーム４３を形成した後に上記駆動側電極を形成してもよい。

上記第３製造方法に係る実施例は、犠牲層４１を除去する前に犠牲層４１中に水素イオンを注入することで犠牲層４１中に隙間を形成するため、大面積の犠牲層４１であっても隙間にエッチング種（例えばエッチング液）が入り込み、犠牲層４１の膜厚方向にエッチングが進行されるため、通常はエッチング時間がかかるフッ硝酸によるウエットエッチングではあるが、エッチング時間が大幅に短縮できる。このため、スループットの大幅な短縮が可能になるので製造コストの低減が図れるという利点がある。

本発明のマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）の製造方法は、ＮＥＭＳといわれるナノ電気機械システムの製造方法という用途にも同様に適用できる。

本発明のマイクロ電気機械システムの第１製造方法に係る第１実施例を示した製造工程断面図である。 下部電極を形成する不純物イオン注入における射影飛程（Ｒｐ）と注入エネルギーとの関係図である。 水素イオン注入における射影飛程（Ｒｐ）と注入エネルギーとの関係図である。 水素イオン注入におけるドーズ量をパラメータとしたシリコン中の水素濃度と注入エネルギーとの関係図である。 水素イオン注入における水素イオン注入領域の幅と水素イオン注入のドーズ量との関係図である。 本発明のマイクロ電気機械システムの第１製造方法に係る第２実施例を示した製造工程断面図である。 本発明のマイクロ電気機械システムの第２製造方法に係る一実施例を示した製造工程断面図である。 本発明のマイクロ電気機械システムの第３製造方法に係る一実施例を示した製造工程断面図である。 第１従来技術による中空構造の具体的な形成方法の一例を示した製造工程断面図である。 第２従来技術による中空構造の具体的な形成方法の一例を示した製造工程断面図である。 従来技術の問題点を示した概略構成断面図である。 スマートカット法の概要を示した製造工程断面図である。

符号の説明

１１…基板、１２…シリコン系膜、１４…水素イオン注入領域、１７…中空領域

Claims (10)

1. 基板上にシリコン系膜を形成する工程と、
   前記シリコン系膜の中空領域を形成しようとする領域に水素イオンを注入して水素イオン注入領域を形成する工程と、
   前記水素イオン注入領域の一部が露出するように前記シリコン系膜を加工する工程と、
   熱処理を行うことによって前記水素イオン注入領域に中空領域を形成する工程と
   を備えたことを特徴とするマイクロ電気機械システムの製造方法。
2. 前記水素イオン注入領域上部の前記シリコン系膜でビームが形成され、
   前記シリコン系膜の水素イオン注入されない領域もしくは水素イオンが導入されても前記熱処理によって前記中空領域が形成されない領域で前記ビームを支持する固定部が形成される
   ことを特徴とする請求項１記載のマイクロ電気機械システムの製造方法。
3. 前記水素イオン注入領域よりも下層の前記シリコン系膜にｎ型もしくはｐ型不純物を注入することで下部電極を形成する
   ことを特徴とする請求項１記載のマイクロ電気機械システムの製造方法。
4. 前記シリコン系膜を形成する前の前記基板上に下部電極を形成した後、前記シリコン系膜を形成する
   ことを特徴とする請求項１記載のマイクロ電気機械システムの製造方法。
5. 前記水素イオン注入領域上部の前記シリコン系膜でビームを形成し、
   前記シリコン系膜の水素イオン注入されない領域もしくは水素イオンが導入されても前記熱処理によって前記中空領域が形成されない領域で前記ビームを支持する固定部を形成する
   ことを特徴とする請求項４記載のマイクロ電気機械システムの製造方法。
6. 基板上にシリコン系膜を形成する工程と、
   前記シリコン系膜上にビームを形成するためのビーム形成膜を形成する工程と、
   前記シリコン系膜の中空領域を形成しようとする領域に水素イオンを注入して水素イオン注入領域を形成する工程と、
   前記水素イオン注入領域の一部が露出するように前記ビーム形成膜を加工してビームを形成する工程と、
   熱処理を行うことによって前記水素イオン注入領域に中空領域を形成する工程と
   を備えたことを特徴とするマイクロ電気機械システムの製造方法。
7. 前記水素イオン注入領域よりも下層の前記シリコン系膜にｎ型もしくはｐ型不純物を注入することで下部電極を形成する
   ことを特徴とする請求項６記載のマイクロ電気機械システムの製造方法。
8. 前記ビームの上部に駆動電極を形成する
   ことを特徴とする請求項６記載のマイクロ電気機械システムの製造方法。
9. 一端もしくは両端が支持されるビーム下部に設けられた犠牲層をエッチングにより除去する工程を備えたマイクロ電気機械システムの製造方法であって、
   前記犠牲層を除去する前に、前記犠牲層中に水素イオンを注入することで前記犠牲層中に隙間を形成する
   ことを特徴とするマイクロ電気機械システムの製造方法。
10. 基板上に下部電極を形成する工程と、
    前記下部電極上で中空領域を形成しようとする領域に犠牲層を形成する工程と、
    前記犠牲層を被覆するビーム形成膜を形成する工程と、
    前記犠牲層に水素イオンを注入することで前記犠牲層中に隙間を形成する工程と、
    前記ビーム形成膜を加工して前記犠牲層の一部を露出させるとともに一端もしくは両端が支持されるビームを形成する工程と、
    前記犠牲層を除去して前記ビームと前記下部電極との間に中空領域を形成する工程と
    を備えたことを特徴とする請求項９記載のマイクロ電気機械システムの製造方法。
    
    

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